Laser đông lạnh là gì?

Khái niệm về laser hoạt động ở nhiệt độ thấp không phải là mới: laser thứ hai trong lịch sử là laser đông lạnh. Ban đầu, việc đạt được hoạt động ở nhiệt độ phòng gặp nhiều khó khăn, và sự hứng thú đối với công việc ở nhiệt độ thấp bắt đầu vào những năm 1990 với sự phát triển của laser và bộ khuếch đại công suất cao.

Ở công suất caonguồn laserCác hiệu ứng nhiệt như tổn hao do khử cực, thấu kính nhiệt hoặc uốn cong tinh thể laser có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của thiết bị.nguồn sángThông qua làm mát ở nhiệt độ thấp, nhiều tác động nhiệt có hại có thể được triệt tiêu hiệu quả, tức là môi trường khuếch đại cần được làm mát xuống 77K hoặc thậm chí 4K. Hiệu quả làm mát chủ yếu bao gồm:

Độ dẫn điện đặc trưng của môi trường khuếch đại bị ức chế đáng kể, chủ yếu là do quãng đường tự do trung bình của dây dẫn tăng lên. Kết quả là, độ chênh lệch nhiệt độ giảm mạnh. Ví dụ, khi nhiệt độ giảm từ 300K xuống 77K, độ dẫn nhiệt của tinh thể YAG tăng lên gấp bảy lần.

Hệ số khuếch tán nhiệt cũng giảm mạnh. Điều này, cùng với sự giảm độ chênh lệch nhiệt độ, dẫn đến giảm hiệu ứng thấu kính nhiệt và do đó giảm khả năng xảy ra hiện tượng đứt gãy do ứng suất.

Hệ số quang nhiệt cũng giảm, giúp giảm thiểu hơn nữa hiệu ứng thấu kính nhiệt.

Sự gia tăng tiết diện hấp thụ của ion đất hiếm chủ yếu là do sự giảm độ rộng phổ gây ra bởi hiệu ứng nhiệt. Do đó, công suất bão hòa giảm và độ khuếch đại laser tăng lên. Vì vậy, công suất bơm ngưỡng giảm, và có thể thu được các xung ngắn hơn khi bộ chuyển mạch Q hoạt động. Bằng cách tăng độ truyền dẫn của bộ ghép đầu ra, hiệu suất độ dốc có thể được cải thiện, do đó hiệu ứng tổn hao ký sinh trong khoang cộng hưởng trở nên ít quan trọng hơn.

Số lượng hạt ở mức năng lượng thấp tổng thể của môi trường khuếch đại bán ba mức bị giảm, do đó công suất bơm ngưỡng giảm và hiệu suất năng lượng được cải thiện. Ví dụ, Yb:YAG, tạo ra ánh sáng ở bước sóng 1030nm, có thể được coi là hệ bán ba mức ở nhiệt độ phòng, nhưng là hệ bốn mức ở 77K. Điều tương tự cũng đúng với YAG (Er:YAG).

Tùy thuộc vào môi trường khuếch đại, cường độ của một số quá trình dập tắt sẽ bị giảm.

Kết hợp với các yếu tố trên, hoạt động ở nhiệt độ thấp có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của laser. Đặc biệt, laser làm mát ở nhiệt độ thấp có thể đạt được công suất đầu ra rất cao mà không bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng nhiệt, tức là có thể thu được chất lượng chùm tia tốt.

Một vấn đề cần xem xét là trong tinh thể laser được làm lạnh bằng phương pháp đông lạnh, băng thông của ánh sáng bức xạ và ánh sáng hấp thụ sẽ bị giảm, do đó phạm vi điều chỉnh bước sóng sẽ hẹp hơn, và độ rộng vạch phổ cũng như độ ổn định bước sóng của laser được bơm sẽ khắt khe hơn. Tuy nhiên, hiệu ứng này thường hiếm khi xảy ra.

Phương pháp làm lạnh bằng khí nitơ lỏng thường sử dụng chất làm lạnh, chẳng hạn như nitơ lỏng hoặc heli lỏng, và lý tưởng nhất là chất làm lạnh sẽ tuần hoàn qua một ống gắn với tinh thể laser. Chất làm lạnh được bổ sung theo thời gian hoặc được tái chế trong một vòng kín. Để tránh hiện tượng đông đặc, thông thường cần phải đặt tinh thể laser trong một buồng chân không.

Khái niệm về tinh thể laser hoạt động ở nhiệt độ thấp cũng có thể được áp dụng cho bộ khuếch đại. Tinh thể sapphire titan có thể được sử dụng để chế tạo bộ khuếch đại phản hồi dương, với công suất đầu ra trung bình lên đến hàng chục watt.

Mặc dù các thiết bị làm lạnh bằng phương pháp đông lạnh có thể gây phức tạp.hệ thống laserCác hệ thống làm mát thông thường thường phức tạp hơn, và hiệu quả của phương pháp làm mát bằng khí nitơ lỏng cho phép giảm bớt độ phức tạp.